JP5046820B2 - 増幅装置及びこれを有するスピーカーシステム - Google Patents

Description

本発明は、スピーカーシステムの技術に関し、特に、スピーカーシステムに内蔵される増幅装置の技術に関する。

カーオーディオの分野では、Ｄ級アンプ（いわゆるデジタルアンプ）が内蔵されたデュアルボイスコイル型のスピーカーシステムが知られている。デュアルボイスコイルは、１つのボイスコイルにＬ／Ｒコイルを巻く事で、磁力を飛躍的に向上させ、迫力のある重低音と豊かな表現力の実現を可能としている。一方、Ｄ級アンプは、パワー・デバイスをスイッチング駆動することで、８０％を超える高い変換効率を実現している。

また、上述したＤ級アンプ以外にも、変換効率を向上させるスピーカー装置が知られている。例えば、特許文献１では、スピーカー装置に複数のボイスコイルを並列接続で形成し、所定の電流を検出した際に、開閉素子によりボイスコイルの並列接続を断って、ボイスコイルのインピーダンスを所定の値に戻すようにしたことで、並列駆動時には低インピーダンスを実現し、変換効率を向上させることが開示されている。

特開平９−５５９９５号公報

ところで、上述したＤ級アンプの出力が低出力である場合には、ボイスコイルのインピーダンスを低くしても、変換効率が下がることが知られている。これを解決すべく、例えばボイスコイルのインピーダンスを高めると、Ｄ級アンプの出力が効率良くボイスコイルに伝達されず、ボリュームを最大にしてもスピーカーから出力される音量が小さい等、音量が限定されてしまうという問題点がある。また、上述した特許文献１に開示されるスピーカー装置では、並列接続が切り替わることにより、スピーカー装置に対する駆動力が変化し、性能が変わってしまうというおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、音量を確保しつつ、低出力であっても、Ｄ級アンプの変換効率の低下を抑制する増幅装置及びこれを有するスピーカーシステムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、オーディオソースに対するボリュームのレベルに応じて、パワーアンプに対するゲインの倍率を切替えるプリアンプと、すべてのインピーダンスが同一である、少なくとも２つのボイスコイルの接続形態を、ボリュームのレベルに応じて、すべて直列又はすべて並列のいずれかに切替える切替回路と、を有し、プリアンプは、すべて並列に接続した場合の合成インピーダンスと、すべて直列に接続した場合の合成インピーダンスと、の倍率に対応するようにゲインを切替えることを特徴とする増幅装置である。
この構成によれば、低出力時にスピーカーのインピーダンスが高まるとともに、パワーアンプに対するゲインが増加する。また、この構成によれば、パワーアンプの出力インピーダンスとスピーカーの入力インピーダンスとのインピーダンス整合の可能性が高まる。

上記発明において、切替回路及びプリアンプは、ボリュームの通過後のオーディオソースに係るレベルに基づいて切替える構成とすることができる。

本発明は、前記増幅装置と、ボイスコイルを具備するスピーカーと、を有するスピーカーシステムを含む。

本発明によれば、低出力であっても、音量を確保しつつ、増幅装置の変換効率低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明の実施形態に係るスピーカーシステム１００の断面図である。
スピーカーシステム１００は、図１に示すように、ボリュームコントローラーノブ１１０、増幅装置としてのデジタルアンプ１２０、スピーカー１３０等から構成される。

ボリュームコントローラーノブ１１０は、スピーカー１３０から出力する音声の音量を調整するためのつまみである。ボリュームコントローラーノブ１１０が利用者の操作によって回転すると、レベル（回転量）に応じて音量が変化していく。例えば、時計回りに回転した場合には、音量が増加し、逆に、反時計回りに回転した場合には音量が減少する。また、ボリュームコントローラーノブ１１０は、そのレベルに応じてデジタルアンプの回路構成等を変化させる。尚、ボリュームコントローラーノブ１１０は、スライド形式のボリュームコントローラーであってもよい。

デジタルアンプ１２０は、トランジスタやコンデンサ、コイル、その他各種スイッチ等から構成され、主に、プリアンプ１２１、パワーアンプ１２２及び切替回路１２３等から構成される。デジタルアンプ１２０は、ヘッドユニット等のオーディオ機器から接続用コード１４０を介して入力されるオーディオソースを増幅し、スピーカー１３０に送信する。以下、図２及び図３を参照してこれらの構成及び機能について詳述する。

図２及び図３はデジタルアンプ１２０の回路構成図である。
まず、プリアンプ１２１について説明する。
プリアンプ１２１は、図２に示すように、ボリューム１２１ａ、コンパレーター１２１ｂ、ゲイン切替スイッチ１２１ｃ、その他、ＣＤ音声やラジオ音声等のオーディオソースを選択するための図示しない入力セレクター（ファンクションスイッチ）等から構成される。

ボリューム１２１ａは、例えば可変抵抗器等から構成される。上述したボリュームコントローラーノブ１１０が回転すると、そのレベル（回転量）に応じて抵抗値が変化する。これにより、ボリューム１２１ａにかかる電圧が変化し、スピーカー１３０から出力される音声の音量が変化する。

コンパレーター１２１ｂは、アナログＩＣ等から構成され、２つのアナログ電圧の大きさを比較し、大小関係をＨレベル／Ｌレベルの２値で出力する。コンパレーター１２１ｂには、同図に示すように、所定のしきい値となる電圧を印加しておく。コンパレーター１２１ｂは、上述したボリューム１２１ａにかかる電圧を抽出してその電圧値をしきい値となる電圧と比較する。そして、比較結果に応じた切替信号をゲイン切替スイッチ１２１ｃ及び切替回路１２３に送信し、これらの動作を制御する。例えば、ボリューム１２１ａにかかる電圧が所定のしきい値となる電圧未満である場合には、ゲイン切替スイッチ１２１ｃに対してゲインを４倍にすることを要求する旨の切替信号をＬレベルで送信するとともに、切替回路１２３に対し、ボイスコイル１３１の接続形態を直列にする旨の切替信号をＬレベルで送信する。

ゲイン切替スイッチ１２１ｃは、パワーアンプ１２２に対するゲインを切替えるスイッチである。ゲイン切替スイッチ１２１ｃは、図２に示すように、パワーアンプ１２２に対するゲインを１倍にする場合と４倍にする場合とを切替える。この切替動作は、コンパレーター１２１ｂからの切替信号によって行われる。例えば、当該切替信号がゲインを１倍にする旨の切替信号である場合には、図２に示すように、ゲイン切替スイッチ１２１ｃは、１倍ゲインが選択されるように切り替わり、当該切替信号がゲインを４倍にする旨の切替信号である場合には、図３に示すように、ゲイン切替スイッチ１２１ｃは、４倍ゲインが選択されるように切り替わる。尚、当該スイッチ１２１ｃで切替えるゲインの倍率は、ボイスコイル１３１の合成インピーダンスによって適宜変更するようにしてもよい。

次に、パワーアンプ１２２について説明する。
パワーアンプ１２２は、例えばＤ級アンプ等で構成され、より詳しくは図２に示すように、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）エンジン１２２ａやＦＥＴドライバ１２２ｂ、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属酸化膜形電界効果トランジスタ）１２２ｃ、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１２２ｄ等から構成される。

ＰＷＭエンジン１２２ａは、コンパレーター等のアナログＩＣで構成され、入力されたアナログ信号としてのオーディオソースを三角波やのこぎり波と比較し、ＰＷＭ変調方式によりデジタル信号としてのオーディオソースに変換し、ＰＷＭ信号としてＦＥＴドライバ１２２ｂに送信する。

ＦＥＴドライバ１２２ｂは、コンデンサ等で構成され、ＰＷＭ信号によってスイッチとしてのＭＯＳ−ＦＥＴ１２２ｃをオンとオフとに切替える。
ＬＰＦ１２２ｄは、コイルとコンデンサとで構成されるＬＣ型のローパスフィルタ等で構成される。増幅されたＰＷＭ信号をアナログ信号としてのオーディオソースに復調する。

最後に切替回路１２３について説明する。
切替回路１２３は、図２に示すように、第１スイッチ１２３ａ、第２スイッチ１２３ｂ及び第３スイッチ１２３ｃで構成される。これらのスイッチは、コンパレーター１２１ｂからの切替信号によってオン／オフが切替えられる。

第１スイッチ１２３ａ及び第２スイッチ１２３ｂは、切替信号が並列接続を要求する旨の切替信号である場合に、図２に示すように、オンされるように切り替わり、当該切替信号が直列接続を要求する旨の切替信号である場合には、図３に示すように、オフされるように切り替わる。

第３スイッチ１２３ｃは、切替信号が並列接続を要求する旨の切替信号である場合には、図２に示すように、オフされるように切り替わり、当該切替信号が直列接続を要求する旨の切替信号である場合には、図３に示すように、オンされるように切り替わる。
上述した第１スイッチ１２３ａから第３スイッチ１２３ｃは、リレーなどによる機械的なものであってもよく、また、半導体などによる電気的なものであってもよい。

続いて、上述したデジタルアンプ１２０の動作について説明する。
デジタルアンプ１２０は、接続用コード１４０を流れるオーディオソースを受信すると、自身に設定されたボリューム１２１ａにかかる電圧が所定のしきい値となる電圧以上であるか否かを判定する。ここで、デジタルアンプ１２０は、ボリュームにかかる電圧が所定のしきい値となる電圧以上であると判定した場合には、ゲイン切替スイッチ１２１ｃに対し、１倍ゲインの選択を要求する旨の切替信号を送信するとともに、第１スイッチ１２３ａから第３スイッチ１２３ｃまでに対し、並列接続を要求する旨の切替信号を送信する。

これにより、デジタルアンプ１２０は、図２に示すような回路構成となり、スピーカー１３０は並列接続されたボイスコイル１３１に基づきオーディオソースにかかる音声を出力する。この場合、スピーカー１３０に形成される２つのボイスコイルのそれぞれのインピーダンスを８Ωと同一にした場合、並列接続における合成インピーダンスの算出式：（１／合成インピーダンス）＝（１／第１インピーダンス）＋（１／第２インピーダンス）＋・・・・＋（１／第ｎインピーダンス）により、合成インピーダンスは４Ωとなる。

一方、デジタルアンプ１２０は、ボリューム１２１ａにかかる電圧が所定のしきい値となる電圧未満であると判定した場合には、ゲイン切替スイッチ１２１ｃに対し、４倍ゲインの選択を要求する旨の切替信号を送信するとともに、第１スイッチ１２３ａから第３スイッチ１２３ｃまでに対し、直列接続を要求する旨の切替信号を送信する。

これにより、デジタルアンプ１２０は、図３に示すような回路構成となり、スピーカー１３０は直列接続されたボイスコイル１３１に基づきオーディオソースにかかる音声を出力する。この場合、上述した場合と同様に、スピーカー１３０に形成される２つのボイスコイルのそれぞれのインピーダンスを８Ωと同一にした場合、直列接続における合成インピーダンスの算出式：（合成インピーダンス）＝（第１インピーダンス）＋（第２インピーダンス）＋・・・・＋（第ｎインピーダンス）により、合成インピーダンスは１６Ωとなる。

このように、利用者によってボリュームコントローラーノブ１１０が操作されて、音量が減っていく過程で、ボリュームにかかる電圧が所定のしきい値となる電圧未満となった場合に、２つのボイスコイル１３１の接続形態が並列接続から直列接続に変わる。これに伴い、並列接続時のボイスコイル１３１の合成インピーダンスが４Ωであったのに対し、直列接続時のボイスコイル１３１の合成インピーダンスが１６Ωとなり、合成インピーダンスが４倍になる。

したがって、ボイスコイル１３１同士が並列接続時において、パワーアンプ１２２の出力インピーダンスとスピーカー１３０の入力インピーダンスとがインピーダンス整合をしていて最大出力が取り出せる場合に、仮にゲイン切替スイッチ１２１ｃがない状態で、ボイスコイル１３１同士が直列接続になった場合には、パワーアンプ１２２の出力インピーダンスとスピーカー１３０の入力インピーダンスとが整合されず、所望の最大出力を取り出せない。

ところが、直列接続時において、（（ボイスコイル１３１の直列接続時の合成インピーダンス）／（ボイスコイル１３１の並列接続時の合成インピーダンス））の倍率だけ、パワーアンプ１２２に対するゲインを大きくすることにより、パワーアンプ１２２の出力インピーダンスとスピーカー１３０の入力インピーダンスとが概ねインピーダンス整合し、ボリューム１２１ａにかかる電圧が所定のしきい値となる電圧未満となった場合であっても、所望の最大出力が取り出せるようになる。

すなわち、すべて並列に接続した場合の合成インピーダンスとすべて直列に接続した場合の合成インピーダンスとの倍率に対応するようにパワーアンプ１２２に対するゲインをスイッチ等で切替えることで、出力電力の低下が抑制され、また、最大音量が限定されることが抑制される。さらに、上述しように、接続形態を変更するボイスコイル１３１の各インピーダンスが同一であれば、直列接続であっても並列接続であってもスピーカー１３０自体の出力特性は聴感上又は理論上変化しない。

これにより、例えば、インピーダンスが８Ωである４つのボイスコイル１３１を並列接続した場合には合成インピーダンスは２Ωとなり、直列に接続した場合には合成インピーダンスは３２Ωとなる。この場合には、並列接続時におけるパワーアンプ１２２の出力インピーダンスとスピーカー１３０の入力インピーダンスとがインピーダンス整合するようにしておき、ボイスコイル１３１が直列接続になった場合には、パワーアンプ１２２に対するゲインを１６倍にすればよい。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。例えば、上述した実施形態では、コンパレーターは、ボリュームにかかる電圧を抽出してしきい値となる電圧と比較したが、ボリュームの通過後のオーディオソースを積分回路等で抽出して所定のしきい値と比較して、切替信号を送信するようにしてもよい。また、各ボイスコイルのインピーダンスは完全同一でなく、誤差等も含めた概ね同一であればよい。

以上説明したように、本発明の増幅装置によれば、低出力時であってもＤ級アンプの効率化が図れ、産業上の利用可能性が高い。

スピーカーシステムの要部構成を示す断面図である。 ボイスコイルを並列接続とするデジタルアンプの回路構成図である。 ボイスコイルを直列接続とするデジタルアンプの回路構成図である。

符号の説明

１００ スピーカーシステム
１１０ ボリュームコントローラーノブ
１２０ デジタルアンプ
１２１ プリアンプ
１２１ａ ボリューム
１２１ｂ コンパレーター
１２１ｃ ゲイン切替スイッチ
１２２ パワーアンプ
１２２ａ ＰＷＭエンジン
１２２ｂ ＦＥＴドライバ
１２２ｃ ＭＯＳ−ＦＥＴ
１２２ｄ ＬＰＦ
１２３ 切替回路
１２３ａ 第１スイッチ
１２３ｂ 第２スイッチ
１２３ｃ 第３スイッチ
１３０ スピーカー
１３１ ボイスコイル
１４０ 接続用コード

Claims (3)

1. オーディオソースに対するボリュームのレベルに応じて、パワーアンプに対するゲインの倍率を切替えるプリアンプと、
   すべてのインピーダンスが同一である、少なくとも２つのボイスコイルの接続形態を、前記ボリュームのレベルに応じて、すべて直列又はすべて並列のいずれかに切替える切替回路と、を有し、
   前記プリアンプは、すべて並列に接続した場合の合成インピーダンスと、すべて直列に接続した場合の合成インピーダンスと、の倍率に対応するように前記ゲインを切替えることを特徴とする増幅装置。
2. 前記切替回路及び前記プリアンプは、前記ボリュームの通過後のオーディオソースに係るレベルに基づいて切替えることを特徴とする請求項１に記載の増幅装置。
3. 請求項１又は２に記載の増幅装置と、
   前記ボイスコイルを具備するスピーカーと、
   を有することを特徴とするスピーカーシステム。

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